基于PC的高速卷烟机实时控制平台及烟支重量与质量在线

基于PC的高速卷烟机实时控制平台及
烟支重量与质量在线
基于PC的高速卷烟机实时控制平台及烟支重量与质量在线检测控制系统
1.卷烟机烟支重量与质量检测控制系统现状
卷烟机烟支检测控制系统主要包括烟支重量控制系统、稀释度(漏气)检测
系统和空头检测系统，
整机系统概况：
目前国产卷烟机生产速度己达7000-8000支/分钟，主要机型是PROTOS70
和PASSIM7000卷接机组，分别于90年代初从德国HAUNI公司和英国MOLINS公司引进技术，在国内已大量生产和使用，成为中速机主流设备。

其中PROTOS70
是80年代初设计的，控制系统采用了大量继电器和专用印刷电路板，其显示器IT80和计算机卡都是专用系统，仅印刷电路板机箱就有四个：卷烟机控制、接
装机控制、重量控制与数采、烟支质量检测系统。

因此硬件电路和接线相当复杂，这使得质量控制、电气装配、调试和故障排除的难度增大，同时给烟厂的
信息化工作带来很大困难，因为专用计算机系统通讯困难，机器底层数据很难
提取。

传动方面采用直流调速电机作为主传动电机，通过较多的皮带和齿轮实
现主传动链的功能，在烟丝供给部分，用了另外两个直流调速电机(陡角提丝带电机和针辊电机)，以实现烟丝供给速度与机器生产速度的匹配。

近年由于技术进步和客户要求，控制系统已改为PLC控制，取消了大量继电器和两个印刷电
路板机箱(卷烟机控制和接装机控制)，但仍保留了重量控制系统的电路板机箱，而烟支质量检测系统的电路板机箱则重新设计为一个专用模块。

传动方面采用
交流变频调速技术取代了原来的直流调速，既降低了成本又减少了维护的工作
量(无需再定期更换直流电机的碳刷)，但传动方式和结构并没有根本改变。

计
算机系统原来是专用线路板CBP卡配专用的显示器IT80，现己改为工控机，同
时在控制系统中采用了现场总线技术和阀岛技术。

PASSIM7000卷接机组的卷烟
机采用西门子公司的SS-135U PLC控制，重量控制功能由MAID一系统实现。

而接装机部分的控制功能如逻辑控制、烟支质量检测系统、捕烟轮烟支到位控制、
大流量控制及与卷烟机通讯等则完全由印刷电路板完成。

温度控制采用数字智
能温控器，具有自诊断和故障报警功能并能通过PID参数调整实现最佳温度控
制效果。

传动方面采用交流变频调速电机作为主传动申机，通过较多的皮带和
齿轮实现主传动链的功能，在烟丝供给部分，通过无级变速器与主传动联结，
无级变速器与主电机的速比还受回丝量的控制，从而得以实现烟丝供给速度与
机器生产速度的匹配。

近年来，通过坚持不懈的技术改进，己将该机的生产速
度由7000支/分钟提升到8000支/分钟，电控系统也先后完成了卷烟机PLC由
S5系列升级为S7系列，接装机部分则取消了除烟支质量检测系统和捕烟轮烟
支到位控制以外的绝大多数印刷电路板，其控制功能改由S7系列PLC实现，这样整个卷接机组共用了四个57-340系列PLC：后身供料PLC、卷烟机控制PLC、接装机控制PLC和主PLC。

从而使得整机控制系统更加协调一致，既降低了成
本又提高了可靠性和易维护性。

人机界面采用了触摸屏技术，使操作更加简单
直观。

事实证明，这些改进的成功，大大延长了PASSIM机组的产品寿命，明显扩大了国产烟机的市场占有率。

PASSIMI2K卷接机组是MOLINS公司高速卷烟机
的主要机型，生产速度为12000支/分钟，从图2.1中可以看出其电气结构己做了较大改进。

该卷接机组共采用了四个PLC进行控制，其中料斗、卷烟机和接
装机分别由各自的SS-95U PLC控制，电控柜中的主PLC则采用SS-115U PLC，
几个PLC之间通过Profibus通讯，,PLC与工控机之间通过串口通讯。

高速信
号处理、重量控制和稀释度检测等专用系统与工控机之间通过Canbus通讯。

由于采用PLC控制并采用总线技术和串行通讯，上位机使用工控机和触摸屏，整
个结构变的简洁合理，与工厂管理信息系统的连网与信息交换也更加容易。

从
电气结构图2.2可以看到，PROTOS90E电控系统采用了三层总线：用于输入输出、阀岛和总线仪表的Profibus总线；用于工控机(MLP)、重量控制系统((SRM),烟支检测系统(CIS)和专门处理快速I/O信号的HAUNI智能处理器(HIP)的Canbus总线以及用于上位机数采与监控的工业以太网。

该系统的另一个特点是，卷接机组共用一个57-400系列PLC，它集成了专门用于处理高速信号的HAUNI智能处理器HIP卡，该卡可直接插入S7机箱中，类似于一个S7模块，
完美地解决了PLC程序循环周期与高速信号处理的矛盾。

HIP卡还提供Canbus
接口与生产线处理器(MLP)连接，通过总线向上传送数据，向HIP卡和CIS系统装载用户程序。

交流伺服驱动技术也得到了应用，但范围仅限于主电机、陡角
提丝带、针辊和胶泵四个伺服电机，后三个电机跟随主电机生产速度变化，但
还不是真正意义上的电子齿轮功能。

2.PROTOS2-2电控系统电气结构图 2.3中，
WAGO,FESTO,AMK,LENZE,SIEMENS均为电气装置供应商，与PROTOS90E相比较，
在电气结构和总线应用方面非常类似，主要区别在于卷烟机和接装机分别由各
自独立的57-400系列PLC控制，相应的HIP卡和Profibus总线用户也相对独立。

该机型电控系统最显著的特点是大量采用了独立驱动技术，取消了以前的
主电机概念[4]。

对传动系统中一般的调速采用了变频调速技术，而对速度同步要求较严格的传动则采用交流伺服驱动技术中的电子齿轮。

GD公司MICRO-II
系统具有以下几个比较明显的特点：(1)GD公司为了系统的可更改性和可维护性，采用了开放的体系结构，所谓的"开放"并不意味着它支持其他厂商的多种
I/O硬件，具有通用的用户接口，而是指MICRO-B系统本身，可以方便地进行
系统扩充，属于开放式的体系结构。

(2)MICRO-II系统采用了在线可编程技术。

其CPU板卡采用系统软件和用户软件分开的处理技术。

在系统软件的设计上，
采用实时多任务操作系统RTOS(RealTime Operating System)。

采用保护模式
进行程序设计，完成诸如任务的切换、网络通讯的控制、对输入输出的处理、
与开发环境的连接、用户程序的下载等。

在用户程序的设计上，采用GD公司在通用实时语言的基础上设计的面向对象的高级语言GDL(GD Language)，完成诸
如机器的控制功能、概图数据、错误提示数据等。

同时增加了硬件的兼容性：
不同机器，相同板卡只需下载相应的用户程序就可以实现不同的机器控制。

采
用了许多最新高新技术，使系统的性能更优。

如：采用了80386DX技术进行设计；采用多处理器结构，所有板卡都是自带CPU的智能板；采用网络结构；采
用大规模集成电路及贴片元件技术；采用了DSP(Digital Signal Processor)
和FPGA(Field Programmable Gate Array)技术等。

尽管MICRO-II系统具有许
多优点，但毕竟是专用控制系统，软件也多使用专用编程语言，在某些方面仍
给带来一些不便。

由于GD公司的用户程序一般不对用户开放或者即使部分用户得到程序而未经系统培训，很难全面阅读理解大量复杂的程序内容，因此一旦
机器出现电气故障，由于维修人员不能从原理上分析
故障原因，仅能凭经验或猜测来排除故障，那么如果碰到较为复杂的情况
就很难着手解决。

虽然GD公司自主开发的MICRO II电控系统采用了智能化的
输入板和具有特殊输出波形的传感器，一旦检测系统产生故障，先进的电控系
统会自动显示诊断信号，可使维修变得极为方便，但是与此对应的驱动系统，
各器件动作牵涉到的因素来自方方面面，从表面现象分析问题往往显得深不可测、无从入手，其中主电机的控制与故障排除显得尤为突出。

其次在国产化方
面，由于印制板制造工艺和检测手段上的差距，再加上软件方面的障碍，质量
很难达到原来的水平，因此迟迟摆脱不了对GD公司的依赖，生产和技术服务都受到制约。

另外烟厂在信息化建设中，需提取大量设备数据，MICRO II电控系
统再次成为难点。

[5]
英国Molins公司PASSIM机型应用的MAID-N重量控制系统，稀释度检测系统和空头系统，
收集、数据显示及故障分析功能。

MAID-N系统的记录和显示单元是由联结
起来的四个微处理器做为整个控制体系的一个部份组成的。

三个微处理器执行
独立的功能，第四个微处理器协调一些采集机能并在电路板间传递。

每一个微
处理器由一些分系统组成，分系统由Intel 8085系列微处理器单元构成，这些单元组装在一个单独的电路板上，该电路板包含有特殊微处理器需要的所有单元，其中包括贮存和输入/输出站。

2.系统存在维护环节多、维护技术性强、稳定性差等缺点。

放射源平均重量控制系统的设计、测试功能复杂，不方便使用
者使用，如果出现故障，一般使用者都不能处理，要等专家电工按部就班地进
行设定或更正。

另外，系统所采用的软硬件技术都比较落后，使得系统的硬件
环节较多，功能的实现大多由硬件完成，这样就增加了可能的故障环节，导致
系统存在维护环节多、维护技术性强、稳定性差等缺点。

德国HUANI公司生产
的PROTOS 90型卷烟机的重量控制系统，利用红外线传感器代替了核扫描器，
根据烟条透光性来测量烟条的密度，利用IRIS传感器极大的分辨力使得可以更精确地查明烟条的密度分布，在烟条的密度分布中的空洞和凹陷即所谓的软点
处可得到了更好的控制；烟支的空头、空松率一直稳定在3%左右，系统具有很
高的稳定性，烟支质量也得到较好的控制，而且系统易于维护[1]。

文中研究的红外检测方式受烟丝水分影响较大没有大规模应用。

PASSIM 7K机组和老式PASSIM 8K机组，在这些设备上，紧头位置是单靠
机械同步来保证的，但在机器高速运转时烟丝、尼龙带、布带等元件会出现随
机的打滑现象，再加上机械传动的间隙及热变形，会使紧头位置产生随机漂移。

因此单靠静态下的机械同步是无法精确地保证紧头位置在机器高速运转状态下
始终处于切口位置的，必须进行动态随机的调整。

在一些新型高速设备上这一
要求已得到了满足，如新一代PASSIM 8K机组、PROTOS 1-8机组等。

在目前国
际上比较主流的卷烟机制造企业有英国的MOLINS公司及德国的HAUNI公司，两
公司制造的卷烟机各有特点。

MOLINS公司生产的卷烟机在过滤嘴接装、水松纸
搓接等方面技术较为先进，表现为所生产的成品烟支的外形更标准，根据国家
烟草专卖局颁发的卷烟工艺规范关于烟支卷接包装方面的质量要求规定，PASSIM卷烟机的产品更容易达到烟支圆周这项物理指标的要求。

而在重量控制、烟支空头、端部落丝量等指标上，HAUNI公司的PROTOS 1-8卷烟机更胜一筹。

PROTOS 1-8卷烟机均采用了紧头自动跟踪系统，而且还采用了独特的流化床技
术应用于卷烟机后身的烟丝输送。

因为是采用气流悬浮输送烟丝这一柔性输送
方式，明显降低了在烟丝输送过程中烟丝造碎的比率，而且烟丝输送更为均匀。

所以，PROTOS 1-8生产的烟支重量控制更为精确，烟支空头比率更小，端部落
丝量更能满足工艺规范要求。

经过长期的比较、观察。

在PASSIM 7K机组和老
式PASSIM 8K机组这些设备上，是靠手动调节机器面板上的紧头位置旋钮来实
现紧头位置调整的，如下图所示。

紧头位置旋钮通过一柔性钢丝联接到一丝杆
螺母机构，旋转紧头调整旋钮，可带动柔性钢丝绳转动，从而带动与钢丝绳另
一端固定在一起的丝杆转动。

丝杆上的螺母产生上
下方向的移动，与螺母连接在一起的齿形带轮6也产生向上或向下的移动。

此时弹簧S开始起作用，根据齿形带轮6上下移动的情况通过张紧轮3对齿形
带进行张紧调节，让齿形带始终保持相对平稳的张紧力，保证平准器传动的可
靠性，同时又可以在机器运转过程中对紧头位置进行调节。

但整个机构存在以
下缺点：.单靠手动调节是无法精确地保证紧头位置在机器高速运转状态下始终处于切口位置的。

调节滞后时间过长，操作工在机器运行时不可能专门来调节
紧头位置。

.柔性钢丝绳的扭转传动的可靠性不够，有时旋钮旋转了很大的角度，而丝杆却没有发生转动。

为了克服前述缺点，有必要对原机紧头位置调节装置
进行改造。

将紧头位置调节装置改为由步进电机自动控制。

去除传动可靠性不
高的柔性钢丝绳，将步进电机通过同步齿形带轮传动与丝杆螺母机构相连，其
它传动采用原机紧头相位调节机构。

如图2.4所示，图中双点画线部分为步进
电机及同步齿形带轮传动机构。

[3]
近几年生产的YJ19A型卷接机组，生产速度为8000支/分钟，与MOLINS公司早期生产的PASSIM 7000卷接机组具有相同的电气控制功能,I.21，其检测系统的功能设计已经比较完善。

突出的特点是在原来的基础上增加了两个空头探
测器，信号处理和控制也由微处理器完成，电控系统的可靠性和实用性得到了
很大的提高。

但也存在不少问题：
1)整个系统由十二块电路板组成，各电路板之间的功能相互关联，连接复杂。

如果系统出现了问题，就需要现场维修人员有比较高的电路分析能力，才
能解决问题，这就造成了现场维修的十分不便。

且电路板数量过多，故障率高，使用维修成本高。

2)微处理器芯片采用8085系列，属于早期的单片机产品，运算、处理能力落后，系统响应速度慢。

3)不合格烟支在被剔除时容易发生剔不下烟或带烟现象。

4)烟支不同类型的故障点不能单独测试，给烟厂维修保养带来不便。

ZJ 19 A卷接机组卷烟速度为8000支/分钟。

现场的高速、实时特点对烟支质量系统
提出了更高的要求，要求系统能够快速、及时、准确地判断出烟支质量的好坏。

本系统采用PIC单片机与PROFIBUS工业控制总线，通过工控机人机界面对生产现场进行控制。

操作人员可以根据机器状态，在人机界面触摸屏上设置、调节
生产过程中的各项参数，以便及时了解、掌握生产情况并对卷烟质量进行实时
控制。

一采用独立机箱控制系统内部信号地与外部机身信号地进行隔离缆线外
部输入信号采用光祸进行隔离，传感器输入信号采用屏蔽电加强抗干扰能力。

二.采用高性能器件，件，而简化系统硬件电路，三.在消化吸收ZJ1 9A提高电路集成度，尽量采用表面贴装元实现系统的小型化。

[6]
德国HAUNI公司的SRM重量控制系统，CIS烟支检测系统和
首先，SRM90系统的故障率之高已成为烟厂生产技术人员的一大难题。

SRM90控制箱内部目前使用了六块电子板卡，其中两块是电源板，除此还有
x}(Asos)组合接口卡，DCP(A807)数据采集处理卡，MRK B(Agog)扫描器处理卡，SCBP(A810)主处理板。

这四块线路板均十分复杂，板上的元器件安装密度很高，均使用多层复合布线板。

尽管Hauni公司已向国内有关厂家转让了制做线路板
的胶片和图纸，但是由于技术上的问题，国内仍有MRK II和SCBP这两块板卡
不能自行生产，向Hauni公司订货的报关价格十分昂贵(超出一万马克)而且进
货周期很长。

DCP,MRK II和SCBP这三块板卡都是装有微处理器的智能板卡。

主处理板SCBP是Hauni公司向SIEMENS公司专门订做的，其软件版权又隶属于美国SOFTWARE软件公司，Hauni公司出于商业利润的考虑和设备性能的改进对MR%II和SCBP板的硬跳线和软件不断改变，软件版本升级频繁，而且彼此之间
不能兼容，给国内卷烟厂的备件储备和生产维修造成了极大困难。

TT80是
SRM90系统中的显示及输人终端，内部使用的是CRT单色显象管，在高温和振
动的环境下连续使用，已经进人了老化维修期，故障不断。

SRM90采用核扫描
检测烟条密度。

[2]
意大利GD公司，技术先进，开放性差。

国内的高速卷烟机普遍采用以Sr90放射源为检测探头的烟支重量自动检测控制系统，典型的有MOL工NS公司的MAID一N系统和HAUNI公司的SRM系统。

该技术能够有效检测和控制卷烟平均重量，对于提升烟支重量的控制水平具有
重要作用。

但由于Sr90是放射性材料，始终存在潜在的危险。

目前这些检测系统受外界因素的影响有时会造成重量控制不稳定，而且不易被发现，由于设备
高速运转容易造成大量不合格产品，给企业造成不必要的损失。

紧头是由卷烟
机上带凹槽的劈刀旋转产生的，劈刀槽相对于切刀的位置决定了紧头的状况，
在目前的卷接设备上，紧头的位置基本上都是依靠机械的同步来实现的。

但在
卷烟机工作在高速状态时，会出现烟丝、布带、吸丝带等的随机打滑现象，由
此产生紧头位置的漂移，导致空头的出现；原重量控制系统为MWC或MAID-N，
均为模拟控制方式，其调整、监控都不方便，而且精度不高。

本世纪初微波检测技术被应用到烟支重量检测控制系统，典型的有HAUNI
公司的M工DAS系统、TEWS公司的LIBRA系统和国内上海恒尚公司的HS一WB
系统等。

由英国HAUNI公司生产的PASSIM系列卷接机组已成为我国卷烟生产企业的绝对主力机型，其中MA工D-N在整机电控系统中起着重要的作用。

由于设备的长年运行，原MAID-N控制系统出现的问题逐渐增多。

核扫描器在MA工D-
N系统中主要负责测量烟丝的密度，由于核扫描器存在着不稳定性和放射性的
缺点，使得不少烟厂正在寻找核扫描器的替代产品。

由德国TEWS Elektronik
公司研制的微波测量仪正是核扫描器的替代升级产品。

现在研制推出的独立系统：重量与紧头，稀释度漏气、空头
紧头是由卷烟机上带凹槽的劈刀旋转产生的，劈刀槽相对于切刀的位置决
定了紧头的状况，在目前的卷接设备上，紧头的位置基本上都是依靠机械的同
步来实现的。

但在卷烟机工作在高速状态时，会出现烟丝、布带、吸丝带等的
随机打滑现象，由此产生紧头位置的漂移，导致空头的出现：原重量控制系统
为MWC或MAID-N，均为模拟控制方式，其调整、监控都不方便，而且精度不高。

为此，我们研制开发了新型智能微波卷烟机紧头跟踪及重量控制系统。

由微波
扫描器得到的烟支密度信号经放大器处理后，与来自刀头旋转编码器的脉冲信
号一并输入到我们自行开发的紧头、重量数字信号处理器中，再经PLC及工业
控制计算机进行计算、分析、处理，然后由触摸式工控机显示相关信息，由
PLC分别控制劈刀盘伺服控制器及劈刀升降控制电路来调整紧头位置和烟支重量。

由于采用了数字式处理方式及伺服控制系统，使得新型智能卷烟机紧头跟
踪及重量控制系统的效果明显优于目前已有的相关控制系统，它具备以下特点：(I)采用德国进口伺服机构对劈刀盘的相对位置进行在线智能调整，调整精度可达0.35度(紧头位置一次调整位移可精确到0.5 mm以下。

)相对于步进电机配
合机械结构进行调整，不仅精度大大提高，而且更加平稳有效。

(2)紧头调整及重量控制均采用数字化处理，单支烟采样点数提高到100^'150点，对烟支密度的检测更加精确。

可以识别出超轻烟、超重烟及偏轻烟、偏重烟。

缺点：(1)易受烟丝品种、烟丝含水率和温度的影响；在卷烟生产中，这些外界因素的变化
是经常存在的，微波检测抗干扰性只是在原有的系统基础上作了改进，但并未
彻底解决。

(2)谐振腔的谐振频率易出现温度漂移，影响测量的准确性和稳定性。

谐振腔的谐振频率出现温度漂移问题是微波检测系统的一个弱点，下一步的主
要工作应加强这一方面的探讨和研究。

[4]
不足之处，开发通用实时控制平台，在此基础上构建重量控制与紧头跟踪
系统、稀释度检测和空头检测系统。

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